專利名稱：超聲匹配層和換能器的制作方法
超聲匹配層和換能器
背景技術：
小動物成像在許多學科中是一個重要的研究領域，包括臨床前的 藥物開發，發育生物學，心臟研究和分子生物學。幾種小動物模型已 經在這些領域中得到廣泛應用，最流行的是小鼠和大鼠。高頻超聲已經
被廣泛地用于在從大約20兆赫(MHz)到60兆赫以上的頻率對小鼠模型 進行成像。然而，與小鼠模型相比，大鼠模型在高頻下難于成像，因 為大鼠具有高度衰減的和發生回波的表皮、真皮和皮下組織。
發明內容
一方面，提供了一種用于具有多個層的超聲換能器疊層(stack) 的匹配層。 一個匹配層可以包括一種包括一種基體材料的復合材料， 該基體材料載有多個微米尺寸和納米尺寸粒子。在另一方面，該復合 材料還可以包括一種載有多個重粒子和輕粒子的基體材料。在又一方 面， 一個匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯。
本發明還提供了包括多個層的超聲換能器疊層，每個層均具有一 個頂面和一個相對的底面，其中該多個層包括一個壓電層和至少一個 匹配層。該匹配層可^皮置于該疊層中以覆蓋于該壓電層的頂面上。示 例性的疊層可以包括 一個包含一種復合材料的匹配層(所述復合材
料載有多個納米尺寸和微米尺寸粒子)、 一個載有多個重粒子和輕粒 子的匹配層以及一個包括氰基丙烯酸酯的匹配層。
本發明的其他系統、方法和方面以及優點將根據附圖和詳細說明 進行討論。
所述附圖——納入本說明書中并組成本說明書的一部分——示出 了本發明的某些方面，并和本說明書一起用于解釋而非限制本發明的 原理。在所有這幾幅附圖中，在此使用的相同參考號所指均為相同部 件。圖1是示出了具有多個層的示例性換能器疊層并示出了多個匹配 層的示意圖。
圖2是示出了在垂直方向的示例性換能器疊層的一個橫截面的示 意圖。
圖3是示出了帶有電連接的示例性換能器疊層的方框示意圖。 圖4是一個放大的示意圖，以示例性比例尺示出了圖3中的示例 性換能器疊層的層。
圖5是一個方框圖，示出了制造示例性換能器疊層的示例性方法。
具體實施例方式
本發明可以通過參考下面的詳細說明、實施例、附圖和權利要求 書，以及它們的前序的和后繼的說明來更容易地理解。然而，在公開 并描述本發明的設備、系統和/或方法之前，應理解本發明不是僅限于 所公開的具體設備、系統和/或方法，除非另有指定，因為這些本身當 然可以變化。還應理解，本文所用的術語僅出于描述特定方面的目的， 而并非意在限制。
本發明的下列說明被提供作為對本發明的最佳的當前所知的實施 方案的啟發性教導。在這方面，相關領域的技術人員將會認識并且理 解，在保留本發明的有益效果的同時，還可以對本文所描述的本發明 的多個方面作出許多變化。同樣顯而易見的是，可以通過選擇本發明 的某些特征而不利用其他特征，來獲得本發明的某些期望的效果。從 而，本領域技術人員將能理解，對本發明所做的許多修改和調整均為 可能的，且在某些情況下甚至是合乎需要的，且這些修改和調整是本 發明的一部分。因此，提供下面的說明是作為對本發明的原理的例證， 而并非對其進行限制。
如本文所用，單數形式"一"、"一個"和"該"均包括了復數 指示物，除非上下文另有清楚說明。因此，例如，提及一 "層，，包括 具有兩個或多個這樣的層的方面，除非上下文另有清楚說明。
本文中可以將范圍表示為從"大約"某個具體的數值，和/或到"大 約"另一個具體的數值。當表示為這樣的范圍時，另一個方面包括了 從前述一具體的數值和/或到前述另一具體的數值。同樣地，當通過使
7用先行詞"大約"將值表示為近似值時，將可以理解該具體的數值形 成了另一個實施方案。還將可以進一步理解的是，每個這樣的范圍的 端點在相關于和獨立于另一個端點時均是有意義的。
如本文所用，術語"可選的"或"可選地"意為隨后描述的事件 或情形可發生或可不發生，且這樣的描述包括了所述事件和情形發生 和不發生的情況。
"受試者"意指個體。例如，術語"受試者"包括小動物或實驗 動物以及靈長類包括人。實驗動物包括但不限于諸如小鼠或大鼠之類 的嚙齒動物。術語"實驗動物"也與動物、小動物、小實驗動物或受 試者等術語通用，包括小鼠、大鼠、貓、狗、魚、兔子、豚鼠、嚙齒
動物等。術語"實驗動物"不表示具體年齡或性別。因此，包括雄性 或雌性的、成年和新生的動物，以及胎兒(包括胚胎)。
參考下面的對本發明的優選實施方案和其中包括的實施例的詳細 說明，并參考附圖及其前序和后繼說明，可以更容易地理解本發明。
在一個實施方案中，本發明涉及用于具有多個層的超聲換能器疊 層的匹配層。用于成像的超聲換能器或換能器疊層，利用了位于該換
能器的壓電層和透鏡層或面層(face layer)之間的聲學匹配層。該 壓電層通常具有高聲學阻抗(Z)。該被成像的受試者通常具有低很多的 聲學阻抗。如果該壓電層被直接壓到該受試者之上，則會由于在壓電 層和受試者之間的阻抗不匹配而損耗大量聲能。在超聲成像領域中， 位于壓電層和透鏡或面層之間的帶有聲學阻抗的匹配層被引入該換能 器疊層中，從而產生從較高阻抗的壓電層到較低阻抗的受試者之間的 過渡。
因此，本文所提供的匹配層可以被用在超聲換能器疊層中，從而 來完成從壓電層到透鏡或面層的阻抗過渡。示例性的匹配層可具有可 變的聲學阻抗。 一個示例性的匹配層可以具有介于大約7. 0兆瑞利到 大約14. 0兆瑞利之間的聲學阻抗。另一個示例性的匹配層可以具有介 于大約3. 0兆瑞利到大約7. 0兆瑞利之間的聲學阻抗。又一個示例性 的匹配層可以具有介于大約2.5兆瑞利到大約2.8兆瑞利之間的聲學 阻抗。本領域的技術人員將能理解，每個示例性的匹配層均可以是1/4 波長的匹配層。超聲換能器疊層可被用來生成、發射和接收高頻(大于或等于20 兆赫)超聲。示例性的超聲換能器疊層包括至少一種所公開的匹配層。
圖1中示出了這種示例性的換能器疊層的示意圖。圖1示出了一 種換能器疊層IOO，所述換能器疊層具有鈮酸鋰壓電層102。該壓電層 的底面覆蓋于背襯層104的頂面之上。在壓電層的頂層上方是電極層 106、三個示例性的匹配層(108、 110和112)、 一個環氧結合層114 和一個透鏡層116。
在此方面，該匹配層108為具有更高阻抗的匹配層，所述匹配層 可以具有介于大約7. 0兆瑞利和大約14. 0兆瑞利之間的聲學阻抗。在 另一方面，匹配層108可以包括納米尺寸和微米尺寸粒子，如下文所 述。
在該匹配層108的上表面的上方是匹配層110，其具有低于匹配 層108的阻抗。該匹配層IIO可以具有介于大約3. 0兆瑞利和大約7. 0 兆瑞利之間的聲學阻抗。在另一方面，匹配層110可以包括輕粒子和 重粒子，如下文所述。
匹配層112具有低于匹配層110的阻抗。匹配層112具有介于大 約2. 5兆瑞利和大約2. 8兆瑞利之間的聲學阻抗。該匹配層112可以 包括氰基丙烯酸酯，如下文所述。可使用一個環氧層114將該匹配層 112結合到下面的匹配層110。
示例性換能器疊層100的面層包括透鏡層116。該透鏡層可以包 括TPX，如下文所述。該透鏡層116可以被直接結合到匹配層112之 上。從而，在該示例性換能器疊層100中，匹配層(108、 110和112) 實現了從壓電層102到透鏡層116之間的阻抗過渡。
換能器疊層一一如本文所舉例說明的——可被用于使用高頻超聲 對受試者或者對受試者的解剖學部分進行成像。生成的圖像可以具有 高分辨率。在一方面，超聲換能器疊層包括多個層，每個層均具有一 個頂面和一個相對的底面。在另一方面，該多個層包括一個壓電層和 至少一個匹配層。當位于換能器疊層之中時，給定的匹配層的底面覆 蓋于該壓電層的頂面之上。
匹配層可以包括復合材料。在一方面，該復合材料可以包括一種 載有多個微米尺寸和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該復合材料還可以包括一種載有多個第 一重粒子和多個第二輕粒子的基體材
料。在又一方面，匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯(CA)
使用示例性換能器疊層對超聲數據的捕獲，包括生成超聲，將 超聲發射到該受試者體內，以及接收由該受試者反射的超聲。很大頻 率范圍內的超聲均可被用于捕獲超聲數據。例如，可以使用臨床頻率 的超聲(少于20MHz)或高頻超聲(大于或等于20MHz)。根據下述因素， 例如但不限于成像深度或期望分辨率，本領域的技術人員可以容易地 確定使用什么頻率。
當希望高分辨率的成像且該受試者體內的將被成像的結構所處的 深度不太大時，人們希望使用高頻超聲。從而，捕獲超聲數據的過程 可以包括向該受試者體內發射具有至少20MHz的頻率的超聲，并且接 收由該受試者反射的所發射的超聲的一部分。例如，可以使用具有大 約20MHz、 30MHz、 40MHz、 50MHz、 60MHz或更高的中心頻率的換能器。 在一個示例性優選實施方案中，該換能器可以具有大約20MHz的中心 頻率(對于下文給出的每個一般頻率的實例，設計頻率均為25MHz)。
對于小動物的成像，人們通常期望使用高頻超聲發射，此時可在 可接受的穿透深度下達到高分辨率。從而，該方法可以以臨床頻率或 高頻率用于小動物受試者。可選地，如上所述，該小動物可以是大鼠
或'J、鼠o
所公開的換能器可被操作地連接到一個用于生成、發射、接收和 處理超聲數據的超聲成像系統。例如，可使用超聲掃描設備發射、接
收和處理超聲，所述超聲掃描設備可提供從至少約20MHz到最高實際 頻率的超聲信號。可以使用任何可在20MHz或更高頻率下運行的超聲 系統或i殳備。
本文所描述的匹配層可以和其他能夠在期望頻率下發射和接收超 聲的設備一起使用。例如，可以使用采用了陣列換能器的超聲系統。
如果對小動物受試者進行成像，則其可以作為示例地被置于可以 使用麻醉設備的平臺上。從而，該方法可和用于成像小動物的平臺和 裝置(包括帶有容易操作的探針固定器裝置的"導軌"型平臺) 一起 使用。例如，所述系統可以和多軌道成像系統一起使用，以及和小動 物固定組件一起使用，如題為"Integrated Multi-Rail Imaging
10System"的美國專利申請No. 10/683， 168，題為"Integrated Multi—Rail Imaging System"的美國專利申請No. 10/053， 748,題為
"Small Animal Mount Assembly"的美國專利申請No. 10/683， 870 并現在已于2005年2月8日頒布的美國專利No. 6， 851， 392,以及題 為"Small Animal Mount Assembly"的美國專利申請No. 11/053, 653 所述，上述文獻均以援引方式納入本文。
小動物可以在成像過程中被麻醉，并且可監控重要生理參數例如 心率和溫度。從而，該系統可以包括用于捕獲心電圖(ECG)和溫度信 號以進行處理和顯示的裝置。該系統還可以顯示生理波形，例如心電 圖、呼吸或血壓的波形。
本文還提供了當期望高幀率時，在用于使用基于線的圖像重構以 產生超聲圖像的系統中使用所描述的換能器或匹配層。這樣的系統的 一個實例可以具有如美國專利申請10/736, 232和美國專利申請公布 20040236219中所述的下述組件，這些專利申請以援引方式納入本文。 本文公開的用于使用基于線的圖像重構以產生超聲圖像的系統，可以 提供具有超過200幀每秒的有效幀率的超聲圖像。該系統包括一種基 于心電圖的技術，所述技術可產生高時間分辨率，并允許使用超聲來 準確地描繪小動物(例如小鼠、大鼠、兔或其他小動物)體內迅速移 動的結構，例如心臟。
可以對許多不同的感興趣的器官成像，包括具有內腔的動態器官。 例如，可以使用本文描述的方法和系統對心臟或其一部分進行成{象。 然而，該方法和系統并不僅限于對心臟成像，對其他器官或其部分成 像，包括心臟血管系統的其他部分的成像也是可預期的。
幾個小動物模型在研究中得以廣泛使用，最為流行的是小鼠和大 鼠。高頻超聲被用于對小鼠模型成像，在從約20MHz到超過60MHz的 頻率下尤其有效。然而，與小鼠模型相比，大鼠模型被證明難于在高 頻下成像，這是由于存在高度衰減的和生成回波的表皮、真皮和皮下 組織，它們導致了兩個主要的成像障礙。第一個是高頻超聲能的高衰 減。第二個是產生多次反射，這導致了混響成像的偽像。這兩種障礙 都可以通過改變所述用于對該大鼠成像的換能器的操作特性來減輕。
用于克服這些成像障礙的示例性的操作特性，可以包括用于克服衰減的高靈敏度、用于克服混響的匹配透鏡系統和/或在換能器和組織 之間使用匹配衰減層以衰減多次反射。此外，所述用于對該大鼠成像 的換能器可以具有較寬的帶寬，以免損害軸向分辨率。
這三種特性通常是以相互犧牲為代價才得以實現的，且通常被認
為是工程學上的一種平衡。在一個實例中，更高的靈敏度通常是以犧 牲帶寬為代價才得以實現的。相似地，更好的匹配通常涉及損耗透鏡
材料，從而損害了靈敏度，并且如果在設計頻率下設計為V4波長匹配， 則導致帶寬的減少。匹配衰減層的添加也導致了原始信號等級的靈敏 度降低。
本文描述了一種換能器，所述換能器具有與水的聲學匹配、靈敏 度和寬帶寬響應，并且可用于對受試者動物模型進行成像。該換能器 改進了對于大鼠和其他小動物模型的高頻超聲成像。
在一方面，為了克服大鼠組織的高衰減性，本文描述了一種具有 很高靈敏度的有效的換能器。在又一個方面，該換能器是具有例如大
約80。/。或更多的-6dB帶寬的相對寬帶寬。
在另一個實施方案中，提供了用于具有多個層的超聲換能器疊層 的匹配層。在一方面，所描述的匹配層可以是一個包括壓電層的超聲 換能器疊層的層。在另一方面，該疊層可以包括其他層，諸如，例如 但不意在限于，背村層、其他匹配層、透鏡層、信號電極層、接地電 極層、結合層和/或其他為本領域技術人員所知的層。
在本發明的一個實施方案中，匹配層包括復合材料。在此方面， 該復合材料可以包括載有多個微米尺寸和納米尺寸粒子的基體材料。 在另 一方面，該復合材料也可以包括載有多個重粒子和輕粒子的基體 材料。在另一個實例中，匹配層還可以包括固化的氰基丙烯酸酯。
本文舉例說明的是包括了多個層的超聲換能器疊層，每個層均具 有一個頂面和一個相對的底面。在一方面，該多個層包括一個壓電層 和至少一個匹配層。在此方面，該匹配層可以^皮置于該疊層中，以佳l 得它們基本覆蓋于該壓電層的頂面上。示例性的疊層可以包括含有 載有多個納米尺寸和微米尺寸粒子的復合材料的匹配層，載有多個重 粒子和輕粒子的匹配層和包括氰基丙烯酸酯的匹配層。
可被使用的壓電材料包括，例如但不意在限于，陶瓷材料、復合陶瓷材料以及單晶體。例如，鈮酸鋰(LiNb)可被用于示例性的單陣元 機械掃描換能器。在另一個實例中，36度的Y旋轉鈮酸鋰是一種用于 壓電層的示例性材料。鈮酸鋰具有高效率機械耦合特性(大約50%的 Kt),以及非常低的介電常數(s,34)且可以產生有效的單陣元換能 器，所述單陣元換能器可以不使用另外的電匹配網絡。此外，鈮酸鋰 (LiNb)具有高的Q值(在10， 000區域內)，這可以產生窄帶換能器。可 以預期的是高Q值可以通過寬帶匹配結構和阻尼背襯系統(damping backing system)來補償，其起到減少換能器的Q值的作用。
在又一個方面，背襯系統可和該換能器疊層一起使用，且可被連 接到壓電層的底面和/或位于壓電層的底面之下。如果使用背襯層，則 可達到幾個目的。首先，其具有使得該換能器與期望帶寬發生共鳴的 聲學阻抗。其次，它是高衰減的，從而使得在換能器自身中減少或消 除了內反射。最后，該背襯層可以與壓電元件可操作地接觸。
在一個示例性方面，相對于LiNb的Z，選擇聲學阻抗盡可能低的 背襯層以達到高靈敏度，同時保證較好帶寬。例如，在約5MR到7MR 的范圍之內的聲學阻抗，在靈敏度和帶寬之間實現了一種期望的平衡。 例如，若期望較高帶寬，則可采用介于大約25 MR到40 MR之間的背 村阻抗。
關于背襯層的衰減，衰減越高，所需用于消除內反射的背襯厚度 就越小。同樣，較薄的背襯層導致換能器具有較少的質量和體積。
在另一方面，該背襯層可以是導電性的，也可以是絕緣體。然而， 無論使用導體還是絕緣體，背襯層均會被可操作地連接到壓電層。導 電性的背襯層可以使得制造過程較快，其具有非常窄的可能衰減范圍 和非常窄的可用聲學阻抗范圍。非導電性的背襯層允許了非常寬的阻 尼和衰減可能性范圍。
一個示例性的背襯層是由Ablebond 16-1導電性的環氧材料構成 的。此背襯層材料具有大約6. 7MR的聲學阻抗，以及在30MHz下超過 大約100 dB/mm的衰減。此外，這個示例性的導電環氧層在結合線處 顯示了優秀的導電性，并且與該壓電層形成了整體連接。
在另一方面，為了創建非常高的帶寬設計而期望低靈敏度，也可 以使用金屬來形成背襯層，例如但不意在限于銦、錫和銦合金。在另一方面，也可以使用一個透鏡層。例如，可以使用與水基本 聲學匹配的透鏡。這樣的透鏡可以具有高于水或低于水的聲速，但是 與水的不同足以使得可以產生一個實際的曲面，以達到期望的聚焦量。
一種可用的示例性透鏡材料是聚曱基戊烯或TPX。這種熱塑性塑料具 有1.8 MR的聲學阻抗和2200m/s的縱向速度。也可以使用凸透鏡(具 有低于水的聲速)。
與某些替代性材料相比，TPX損耗較重(在30MHz下為5. 7dB/mm), 但卻提供了異常好的對于水和組織的聲學匹配。使用TPX的主要挑戰 在于它非常難于結合到超聲換能器疊層的其他層上。例如， Rexol i te (—種熱固交聯型聚苯乙烯)具有低于TPX的損耗，其具有在 30MHz下僅約1. ldB/mm的損耗，但卻具有2. 6 MR的聲學阻抗。Rexol ite 可以用在非常需要靈敏度且多次反射可被容忍的場合。通過使用薄的 透鏡，并且將F數(F-Number)處于通常范圍的較高端(一般為約2. 5 至3)，該損耗可被減輕。
在許多方面，至少 一個％波長匹配層被用在超聲換能器疊層中。 通常，這樣的％波長匹配層也#皮簡稱為"匹配層"。應注意到，術語 "匹配層，，被用在本發明的整個說明書中，并且具有與％波或波長匹 配層相同的意義。該％波匹配層不僅影響靈敏度，還影響帶寬。
在高頻下，匹配層的厚度數量級為大約5. 0 jum到50. 0 jLim，且 通常中間粘結層具有較低的公差。例如，厚于500nm的層對于設計是 有害的，而任何厚于1500認的層都基本抵消了該疊層的效果。如本領 域技術人員所能理解，對于％波長層，厚度取決于期望的發射頻率和 層中的聲速。從而，本領域技術人員通過對組合物的聲速的常規測試 以及憑借所掌握的對期望的設計頻率的知識，將可以容易地確定包括 了輕粒子和重粒子的％波長匹配層的適當厚度。
在本發明的一個實施方案中，示例性透鏡層包含TPX，所述TPX 連接到氰基丙烯酸酯匹配層上，其具有大約3MR的聲學阻抗。如本文 所述，氰基丙烯酸酯匹配層被結合到該TPX透鏡層上以附接到該疊層 的其他層上。
在一個示例性實施方案中，大約10 MR的匹配層被覆蓋于具有大 約4.5 MR至5 MR的聲學阻抗的匹配層之上，以增強帶寬并保持優良的敏感度。這可以示例性地使用兩層鎢摻雜的環氧層來完成，使用真 空砂磨器將所述環氧層砂磨到期望的厚度。在又一個方面，低阻抗層
也可以摻雜有碳化硅(SiC)納米粒子以防止在固化過程中鎢粉末沉淀。 如上文所述，另一個匹配層可以是沉積在TPX透鏡層之上的氰基 丙烯酸酯(CA)層。可以用一個環氧層將所述結合到透鏡層上的CA匹配 層結合到低阻抗匹配層上，所述低阻抗匹配層位于該CA層的底面下方 的疊層中。在一方面，該環氧層的垂直厚度(elevational thickness) 是大約5pm或更少。由于該環氧材料與CA的聲學相似度，在幾微米的 厚度(在20MHz下〈5jini)的情況下該層對于該疊層的性能影響不顯著。 在一方面，該環氧材料可以是，例如但不意在限于Epotek 301環氧材 料。在另一方面，可以使用一種橡膠增韌CA(例如Loctite Black Max )， 所述CA可以具有略低的聲學阻抗。
在本發明的替代性實施方案中，用于包括了多個層的超聲換能器 疊層的匹配層，可以包括一種含有基體材料的復合材料，所述基體材 料載有多個微米尺寸和納米尺寸粒子。在一個方面，該復合材料形成 超聲換能器疊層的匹配層。該匹配層可以是％聲學波長匹配層。
這些粒子在各自的納米尺寸范圍和微米尺寸范圍內可以具有不同 的尺寸。在一個優選實施方案中，所栽有的粒子具有小于該匹配層的 厚度的最大縱向尺寸或伸長尺寸。例如，該微米尺寸粒子具有大約5jun 的最大縱向尺寸，且該納米尺寸粒子具有大約800nm的最大縱向尺寸， 其中該匹配層厚度是大于5jim。本領域技術人員將能理解，所選擇的 粒子應該盡可能地小，以免使之不能達到期望的聲學阻抗。名義上， 在匹配層中衰減應被保持到最小，并且粒子尺寸遠小于一個波長。例 如，在16. 5jim的四分之一波長層中的一個5nm粒子，大約是一個波長 的1/13。
在一方面，微米尺寸和納米尺寸粒子可以包括高密度金屬。例如， 該微米尺寸和納米尺寸粒子，可以包括鴒、金、鉑或其混合物。替代 性地，如果期望非導電性層，則可以使用高密度陶瓷材料，例如PZT。
在又一個方面，該基體材料可以是聚合物。在一個非限制性的實 例中，形成該基體的聚合物可以是環氧材料。例如，該環氧材料可以 是一種低粘性、室溫固化的環氧材料，具有一個高于該換能器的最大工作溫度的Tg。某些非限制性的環氧材料的實例包括Epotek⑧301和 302 (Epotek， Billerica， MA) 、Cotronics Duralco 4461 (Cotronics， Brooklyn, NY) 、 West Systems Epoxies (West Systems, Bay City, MI)和多種Araldite Epoxy結合物。或者，該匹配層也可以是熱塑性 塑料，諸如聚曱基丙烯酸曱酯(P固A)例如丙烯酸、樹脂玻璃、透明合 成樹脂或聚碳酸酯(PC)例如Lexan。
在一個示例性方面，微米尺寸和納米尺寸粒子可被載入該基體材 料中，該微米尺寸粒子與納米尺寸粒子的比例為介于大約5:1到1:5 重量份之間。例如，微米尺寸和納米尺寸粒子可被載入該基體材料中， 該微米尺寸粒子與納米尺寸粒子的比例大約為1:1重量份。在另一個 方面，隨著期望的聲學阻抗增加，大粒子的期望百分比也會增加。例 如，如果期望10 MR的匹配層，可以使用1:1的比例。在另一個實例 中，對于12 MR的層，可以使用2: 1或3: 1的微米尺寸粒子納米尺寸 粒子的比例。
在某些示例性方面，該匹配層的納米尺寸粒子和微米尺寸粒子占 所述復合材料的大約10%到大約35%(體積比)。在其他實例中，納米 尺寸粒子和微米尺寸粒子占所述復合材料的大約25%到大約30%(體積 比)。在一個優選實施方案中，納米尺寸粒子和微米尺寸粒子占所述 復合材料的大約25% (體積比)。
通過設計使所述具有納米和微米粒子的匹配層具有期望的聲學阻 抗。例如，可以形成該匹配層使其聲學阻抗在大約7. 0兆瑞利(MR)和 14. 0兆瑞利(MR)之間。在一個優選實施方案中，該匹配層的聲學阻抗 是大約10 MR。
在不同的方面，該匹配層的厚度可以變化。本領域技術人員將能 理解，所述達到％波長匹配層的厚度將隨著匹配層中的聲速和通過該 匹配層的超聲的頻率而改變。從而，基于本文的教導以及任何期望的 超聲發射頻率，包括在20MHz和更高的頻率，本領域的技術人員將可 以確定該匹配層的合適厚度。在其他示例性的方面，在匹配層中的聲 速可以在大約1000米每秒(m/s)和3000m/s之間。此外，匹配層的垂 直厚度可以在大約4jim到30nm之間。
在一個實施方案中，用于產生該納米/微米粒子匹配層的過程，包括提供一種基體材料、多個微米尺寸粒子和多個納米尺寸粒子。該基 體材料栽有用于形成一種復合材料的多個微米尺寸粒子和多個納米尺 寸粒子，而所形成的復合材料用于產生超聲換能器疊層的匹配層。在 一方面，微米尺寸粒子和納米尺寸粒子可以包括同樣的基礎材料。當 然，應該考慮到，微米尺寸粒子和納米尺寸粒子也可以由不同的基礎 材料組成。
如圖1所示，該納米/微米粒子匹配層可在具有多個層的示例性超
聲換能器疊層100中用作匹配層。如圖所示，示例性的超聲疊層IOO
包括多個層，每個層均具有一個頂面和一個相對的底面。該多個層包
括一個壓電層102和至少一個匹配層。當然，多個匹配層(108、 110 和112)可被用在換能器疊層100之中。該匹配層108包括上述的^波 長聲學匹配層。
在某些示例性實施方案中，該壓電層可以在至少約20兆赫(MHz) 的中心頻率下生成超聲，用于傳輸通過該第一匹配層。這樣的高傳輸 中心頻率在對小動物包括大鼠的成像過程中可能特別合乎需要。從而， 在一個示例性方面，該壓電層可以在至少大約20 MHz、 25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65 MHz、 70 MHz 或更高的中心頻率下生成超聲，以傳輸通過該第一匹配層。
在另一個方面，該壓電層可以具有20 MR或更高的聲學阻抗。如 上所述， 一種可以使用的示例性的壓電層包括鈮酸鋰，其具有大約34 MR的阻抗。在另一個實例中，該壓電層可以包括PZT，其具有大約33 MR至35 MR的阻抗。
當然，除本文所描述的納米/微米匹配層之外，還可以使用其他匹 配層。具有多個層的超聲換能器疊層的一個示例性匹配層，包括一種 包括一種基體材料的復合材料，該復合材料載有多個第一重粒子和多 個第二輕粒子。然而，應該注意到的是，輕重粒子并不限于本實施方 案中的尺寸。從而，該包括了輕粒子和重粒子的匹配層可以包括納米 粒子和微米粒子的混合物。例如，該輕粒子可以是微米尺寸的或納米 尺寸的，同時該重粒子也可以是微米尺寸的或納米尺寸的，其任意組 合均可被添加到該基體材料中。
具有輕粒子和重粒子的該匹配層可以包括％聲學波長匹配層。在
17某些非限制性的實例中，輕粒子具有大約4克每立方厘米(g/cc)或更 低的質量密度，而重粒子具有大于約4. Og/cc的質量密度。例如，輕 粒子可以具有介于大約2. 5g/cc和大約4. Og/cc的質量密度。重粒子 可以具有例如10. Og/cc或更大的質量密度。
例如，第一重粒子可以包括選自鵠粒子和鋯酸鉛滴定溶液粒子或 其混合物的微米尺寸粒子或納米尺寸粒子。在又一個實例中，該第二 輕粒子包括選自碳化硅粒子和氧化鋁粒子或其混合物的微米尺寸粒子 或納米尺寸粒子。此外，第二輕粒子的密度可以是在重粒子和該基體 材料的最終組合物的密度的約100%至200%之間。
如上文所述，輕粒子和重粒子可以在尺寸上有所變化。在不同的 方面，重粒子或輕粒子可以小于l微米。在一個優選實施方案中，所 載有的粒子的最大縱向或拉伸尺寸小于所述由它們所組成的匹配層中 的一個波長的1/50。輕粒子和重粒子可以載于該基體材料之中，該基 體材料可以包括聚合物，例如環氧材料。在一個實例中，所載有的多 個粒子可以占該復合材料的至少大約11.0% (體積比)。例如，該多 個粒子可以占介于該復合材料的大約11. 0%和20. 0% (體積比)之間。 在一個優選實施方案中，該復合材料的體積的大約5. 5%包括多個納米 尺寸重粒子，以及該復合材料的體積的大約5. 5%包括多個納米尺寸輕 粒子。在本優選實施方案中，如同在其他示例性實施方案中一樣，該 重粒子可以是鵠粒子、PZT粒子、金粒子或鉑粒子，該輕粒子可以是 碳化硅粒子或氧化鋁粒子。
所述包括了重粒子和輕粒子的匹配層的聲學阻抗可以變化。例如， 該層的聲學阻抗可以在約3. 0兆瑞利和7. 0兆瑞利之間。在一個示例 性實施方案中，該聲學阻抗是大約4. 5 MR。
該匹配層的厚度也可以變化。從而本領域技術人員可以通過對聲 速的常規測試以及憑借所掌握的對期望的傳輸頻率的知識，將可以容 易地確定包括輕粒子和重粒子的匹配層的乂波長的適當厚度。在一個 實例中，該匹配層可以具有介于約1500 m/s和約4500 m/s之間的聲 速。在其他實例中，在該匹配層中的聲速可以在約1800 m/s和約"00 m/s之間。在一個優選的實施方案中，匹配層中的聲速是大約2100m/s。 在不同的方面，應該考慮到所述包括輕粒子和重粒子的示例匹配層的厚度可以在約4. 0孩i米和30微米之間。例如，對于示例性的20MHz中 心頻率的換能器，對于25MHz設計頻率，其包括由占復合材料體積的 大約5. 5%的納米尺寸的第一重粒子和占復合材料體積的大約5. 5%的 納米尺寸的第二輕粒子構成的示例性混合物，該匹配層在該超聲換能 器疊層的垂直方向上的厚度為大約22. O微米。
在本發明的一個實施方案中，用于產生該輕/重粒子匹配層的過 程，包括提供一種基體材料、多個第一重粒子和多個第二輕粒子。在 此方面，該基體材料載有多個第一重粒子和多個第二輕粒子，以形成 一種可用作超聲換能器疊層的匹配層的復合材料。
一個超聲換能器疊層可以包括一個匹配層，該匹配層包括重粒子 和輕粒子，如上文所述。這個匹配層可以包括換能器疊層的一種較低 阻抗匹配層，所述換能器疊層還包括一個較高阻抗匹配層。在此方面， 如同該較低阻抗匹配層一樣，該較高阻抗匹配層包括具有相似重量的 納米粒子和微米粒子，和/或材料。
從而，示例性疊層IOO可以包括多個層，每個層均具有一個頂面 和一個相對的底面。該多個層可以包括一個壓電層102和至少一個匹 配層。匹配層IIO可以包括復合材料，該復合材料含有一種載有多個 第一重粒子和多個第二輕粒子的基體材料，其中該匹配層110的底面 覆蓋于該壓電層102的頂面之上。該超聲換能器疊層IOO還可以包括 一個匹配層108,其具有高于匹配層110的阻抗的阻抗，該匹配層108 被置于壓電層102的頂面和匹配層110的底面之間。
該壓電層可以在至少大約20兆赫(MHz)的中心頻率下生成超聲， 用于發射通過一個或多個匹配層。例如，該壓電層可以在至少大約25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz、 65 MHz、 70 MHz或者更高的中心頻率下生成超聲，用于發射通過一個 或多個匹配層。該超聲可以4皮發射通過該匹配層108然后通過該匹配 層110。
本文還提供具有多個層的超聲換能器疊層100的背襯層104。該 背襯層可以包括一種含有基體材料的復合材料，該基體材料載有多個 微米尺寸和納米尺寸粒子。本文還提供超聲換能器疊層100的背襯層 104，該超聲換能器疊層包括一種含有基體材料的復合材料，該基體材料載有多個第一重粒子和多個第二輕粒子。 實驗
提出下列實施例，以便為本領域的普通技術人員提供有關本文所 要求保護的化合物、組合物，物品、設備和/或方法是如何構成和評估 的完整的公開和說明，并且純粹意為舉例說明本發明而并非意在對發 明人所認為屬于其發明的范圍作出限制。已經努力確保數字(例如數 量、溫度等)的準確性，但是仍應考慮到存在一些誤差和偏差。除非另
有說明，份數為重量份數，溫度是以。c為單位或為環境溫度，壓力等 于或接近于大氣壓力。
實施例1:帶有TPX透鏡的示例性LiNb 20 MHz至25 MHz換能器 疊層的制造
圖5是示出了制造帶有TPX透鏡的示例性LiNb 20 MHz至25 MHz 換能器的示例性方法的方框圖。該制造過程在下面以三個示例性部分 加以描述。首先，描述了制造匹配層和壓電層以形成疊層。其次，描 述了透鏡層和氰基丙烯酸酯匹配層的制造。最后，描述了將透鏡和氰 基丙烯酸酯層結合到該換能器疊層上的過程。
匹配層和壓電層的制造
制備用于壓電層的鈮酸鋰晶體，如方框504所示。將一個36度Y 切LiNb晶體打磨(lap)到厚度為期望的中心頻率的0. 4入，以補償質 量負荷。使用適合的方式，例如電子束沉積或陰極濺鍍，向該晶體鍍 3000埃的金。本領域技術人員將認識到，通常可使用鉻或鎳的薄層來 改進所述金層的粘合性。LiNb晶體的金側面是用丙酮來清潔的。在清 潔之后，該晶體被置于清潔的地方，直到進一步處理為止。
制備用于％波匹配層的載有納米粒子和微米粒子的環氧材料。方 框506,制備一個高阻抗匹配層，其具有高于大約8 MR的阻抗。制成 聲學阻抗高于8MR的負載的環氧材料的組合物，這一過程通常受到可 被該環氧材料潤濕的粉末的最大體積比所限制。以小到足以與25MHz 設計相匹配的粒子來達到高于20%的體積比是有挑戰性的，因為細粉 末具有大的表面體積比。由于受到20。/。體積限制以及使用鎢粉末，很
20難制成聲學阻抗高于大約8MR至9MR的組合物。參見例如Martha G. Grewe, T. R. Gururaha， Thomas R Shrout和Robert E Newnham的
"Acoustic Properties of Particle/Polymer Composites for Ultrasonic Transducer Backing Applications," IEEE Trans, on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,第 37巻，第 6期，1990年11月。
低粘性的環氧材料(優選低于1000cps)的應用，使得可以在該混 合物變得太干以至于不能使用之前向該環氧材料中添加最大體積比的 粉末。本領域已知的這種環氧材料的一個實例是Epotek 301。參見例 如Haifeng Wang, Tim Ritter， Wenwu Cao和K. Kirk Shung的"Passive Materials for High Frequency Ultrasound Transducers" ， SPIE Conf.on Ultrasonic Transducer Engineering, San Diego， California, 1999年2月，SPIE第3664巻。在添加任何粉末之前將 該環氧材料充分混合。
為了制成示例性的10兆瑞利匹配層，在環氧基體中使用體積比為 25%的粉末。為了達到這個體積比，使用了相對大的5nm粒子。然而， 這樣的大粒子不會與換能器的頻率相匹配，因為匹配層的整個厚度將 僅可容納3個顆粒。還使用了一種以1: 1比例混合了 5jim粉末的亞微 米鎢(W)粉末。這在至少1:6到2:1的重量比范圍內是有效的。在栽有 粉末的環氧材料中可以達到的密度上限是受潤濕所有粉末粒子表面的 能力限制的。隨著粒子尺寸增加，粉狀材料體積與表面區域的比率線 性地增加。從而，隨著該粉末粒子直徑增加，該粉末與環氧材料的體 積比也增加，其中所述環氧材料可被充分潤濕以產生無空隙混合物。 然而，隨著粒子尺寸增加，也產生許多問題沉淀以及單個粒子與超 聲能的波長的逐漸顯著的交互作用。
為了減少在匹配層中的衰減并且為了預測該基體和粉末的混合材 料的聲學阻抗，所述粒子直徑可以小于該基體(環氧材料)的波長。為 制備W波長匹配層，該粒子尺寸可以小到足以使得該組合物的整個厚 度可包括至少15個或更多個粒子。
對納米粒子和較大粒子的混合物的示例性使用，使得可以獲得高 密度負載的粉末，該粉末既具有高體積比，又具有對沉淀的很好控制。沉淀是通過調整納米粒子的數量以控制最終的糊劑的粘性和觸變指數 來加以控制的。除從可達到的體積分數的上限和減少較大粒子的沉淀 中獲得的好處之外，納米粒子還提供了在任何給定橫截面的情況下，
該％波層(例如在25 MHz下16. 5nm厚)均具有高數量的粒子以及平均 空間分布的粉末粒子(也即在大粒子之間沒有較大的環氧材料區域，這 是僅有大粒子時的應有情況)。
優選大粒子和小粒子的混合物。僅僅使用納米粒子導致了可能的 小于體積的20%的上限，而僅僅使用5.0 nm粒子或者甚至2. Opm或 3. (Vm粒子產生了高衰減的匹配層，由于與波長相比粒子之間的空間 較大，所以所述高衰減匹配層具有定義不清的聲學阻抗。 一種示例性 的鵠摻雜的環氧材料的制備，包括一批3:1 (體積比)的Epotek 301 環氧材料和鎢粉末(50%:50%的5jim:〈ljim)的混合物。這是一種具有 高觸變指數的糊劑，并且是重量比為85%的鴒混合物，具有5.7 g/cc 的密度以及25%鎢的體積分數。由于納米尺寸粒子的較小尺寸，它的 厚度可以包括最多達50個粒子。例如，按下述比例稱出該混合物0. 5g 的混合301環氧材料(O. lg硬化劑和0. 4g樹脂)；l. 5g的〈ljim鵠粉末； 1. 5g的5nm鵠粉末。
一種中等聲學阻抗的匹配層——具有介于大約3. 5 MR到6 MR之 間的阻抗——是按照方框514所示通過將輕重量的粒子與重粒子混合 來制造的。中等聲學阻抗匹配層的制備過程，可以使用高體積分數的 單一輕粒子以在此范圍內達到中等和更高的阻抗。然而，使用單一材 料，以足夠小的粒子尺寸來產生中等聲學阻抗的過程，通常需要艱難 地尋找具有適合的粉末顆粒尺寸的可獲得的適合密度的材料。高體積 分數使得混合、除氣以及涂布/敷設(spreading/application)非常 困難，由于所要制備的糊劑具有高粘性和高觸變性，這導致了制造問 題。然而，因為粉末的體積比通常被保持在11%以上以將衰減保持在 較低水平，所以通常必須在達到理想聲學阻抗和理想物理屬性之間達 成一種折衷，或者必須尋找一種新材料并再次開始該過程。
從而，通過一起使用輕重摻雜物，可以獲得一種技術方案，所述 技術方案減輕了由于粘性、潤濕以及觸變指數等問題導致的實現期望 聲學阻抗的問題。向會產生期望聲學阻抗的體積分數中混合一種重材料，然后添加輕納米粒子直到達到期望的粘性和觸變指數(也即， 一種 輕易潤濕的糊劑，但不會到處流動或沉淀)。在一個實例中， 一種市售
的輕重量SiC納米粒子可被用作該輕重量粒子。幾種這樣的粒子(包 括但不限于P=3. 2 g/cc的SiC和p=3. 9g/cc的氧化鋁)可用于緩解潤 濕、粘性和觸變指數的問題，由此實現給定聲學阻抗。
在這種情況下，匹配層的聲學阻抗幾乎完全是由重粉末的體積分 數所控制的，其中所述重粉末在那種分數下會具有顯著的沉淀問題。 然而，復合混合物和沉淀物的粘性和稠度幾乎完全是由輕重量粉末所 控制的。在此方面，選擇該輕重量粉末以使得其密度介于重粉末環氧 材料混合物的期望組合物密度的約100%到200%之間。
例如，在示例性的25 MHz 4.5 MR匹配層中，在適合的室溫固化 的低粘性環氧材料中使用體積分數為5. 5%的鴒粉末納米粒子，以達到 介于大約4. 5 MR至5 MR的聲學阻抗。然后添加SiC納米粒子以達到 示例性的11%的體積分數。
這種示例性的混合物易于處理、可以非常良好地潤濕，并且在設 定用于固化所述環氧材料的24小時固化時間里絲毫不會沉淀。在添加 SiC粒子之前，該混合物在很短的時間內完全沉淀，然而，在添加SiC 之后，該混合物變得有觸變性，且不會沉淀。添加SiC粒子對聲學阻 抗的改變極微小，但是顯著地改變了粘性并且消除了該混合物的沉淀 現象。在該適中的范圍內，使用兩種易于得到的粉末材料可以達到任 何期望的聲學阻抗，同時保持理想的工作特性而不沉淀，且不需要特 別高的體積分數。此外，由于納米粒子的尺寸，衰減和散射被保持到 最小，使其成為特殊的匹配層。
鴒摻雜的環氧材料可以被添加到該疊層中，如方框508中所示。 匹配層的敷設需要小心注意，因為在匹配層中的氣穴通常會使得疊層 出故障。在壓電晶體和載有粉末的環氧材料的交界面附近的氣穴可能 是有害的。
為了防止氣穴，均勻地涂布該負載的環氧材料，且將氣穴迫至該 混合物的表面。 一般地，用來制造匹配層的觸變性的糊劑，難于"流" 到部件上，通常需要攪動以使之如液體般流動。從而， 一種振蕩操縱 器(例如，雕刻機(engraver),帶有一根附在其上的22gauge線)可被用于在該晶體的表面涂布該糊劑，以使得它流過并潤濕整個表面。 此外，這種振蕩促使氣穴升起到該糊劑的表面，在這里它們可以被砂 磨去除。這就允許了使用高觸變性的糊劑，所述糊劑在涂布之后會與 預期的一樣不會沉淀。
在一個實例中，在顯微鏡下，使用帶有22gauge的硬回火銅線L 型尖端的雕刻機刻針，將該觸變糊劑平滑地移到該表面之上，以便良 好的潤濕以及促使氣穴升到表面上。通常，該雕刻機刻針被用在該孔 的整個表面之上，并被設定在低幅度高頻率的設置處(大約 7， 200spm)。在一方面，鈮酸鋰晶體的表面被覆蓋，在邊緣附近留有的 一小部分邊(大約.25mm)未被覆蓋，以使其隨后可被用于接地。如果環 氧材料被置于該邊上，它無法在不將整個批料移離換能器表面的情況 下被有效地清除。
如方框510所示，使該環氧材料在室溫下固化并且在提高的溫度 下進行后固化。使用室溫來固化環氧材料，以使得各層不會發生顯著 收縮，這種收縮可導致該壓電晶體翹曲。優選高的Tg,故選擇可在烘 箱中進行提高溫度的后固化的環氧材料。使該環氧材料在室溫固化約 18小時或更長時間(優選24小時)。此外，固化的環氧材料在恒溫箱 中在65攝氏度下被后固化大約3小時或更長時間。
該第一匹配層被砂磨和/或打磨，如方框510中所示。多余的材料 被移去以獲得該義波長匹配層。可以使用幾種方法(例如打磨或砂磨等 等)來移去多余的材料，剩下一個^波厚度的匹配層。 一種砂磨系統被 用于將第一匹配層砂磨到入/4的厚度，其中c-1600m/s (對于25MHz 版本，這是16nm至17jim厚)。仔細固定并且測量樣本，因為設計頻 率為約25MHz的示例性20MHz設備的公差是處于2^瓜至3nm范圍內， 也即16. 5 pm +2 pin / -l jim。
制造并敷設第二低阻抗層，如方框514中所示。在完成第一匹配 層之后，第二介質聲學阻抗糊劑被敷設到該第一層之上，重復涂布、 固化和材料移除的過程以制成第二％波層。批料是如下配方混合的 摻雜了鎢粉末的環氧材料，所述環氧材料是使用Epotek301和"nm的 鵠粉末的17:1 (體積比)或(鴒按重量比占51°/。)的混合物。添加相當 于混合物質量的50。/。的〈ljim SiC粉末，并混合直到獲得均勻的糊劑。通過以研缽和抨輕輕混合除去糊劑中的任何團塊。按下述比例稱出該
混合物0. 5g的混合301環氧材料；0. 52g的〈ljim鴒粉末；0. 2g的〈ljim 碳化硅粉末。按照與第一層一樣的方式敷設第二層，使用雕刻機中的 L型尖端來均勻涂布該糊劑以及進行良好的潤濕。然后該混合物被允 許在室溫下固化約18小時至24小時，然后在65攝氏度下后固化3小 時或更長時間。
如方框516所示，妙、磨和/或打磨所述第二匹配層。將該材料妙、磨 到入/4的厚度，其中c-2100m/s，也即，對于25MHz設計頻率的實例， 這個厚度是大約18 ju m至19 p m厚+/-1 p m。
制備用于該疊層的支撐結構，并且將該晶體結合到該支撐結構上， 如方框518和520所示。在一方面，該疊層位于外殼中。可以4吏用Ultem 1000 (聚醚酰亞胺)插入物，其具有和該期望的換能器孔相匹配的ID 以及和期望的Ti換能器外殼的規格相匹配的0D和高度，以使得該插 入物的頂部低于Ti外殼的邊大約1. 5 mm。插入物的前表面被清潔并 檢查，以使之清潔并免得出現毛刺或者噴濺。例如，該插入物可以用 超聲清潔器和去污劑初步地清潔，且可以在臨使用前用異丙醇清潔。
制備少量適合的低溫固化、中等粘性的環氧材料(例如Loctite E-20 HP)，并使用海綿端的棉簽將其在所述插入物的干凈的前表面上 涂布成一層非常薄的膜。該環氧材料并未被大量涂布，以便形成一個 直徑為插入物壁厚度的彎月面。在操作中，晶體被放置到該插入物的 環氧材料覆蓋的表面上且位于該插入物的中心上，其中疊層一側向上。 在一個實例中，使用真空吸附裝置將該鈮酸鋰晶體敷設到該插入物上。 加一個少量的力，以將該晶體推至該插入物的表面上，這導致了該環 氧材料流向下面的插入物的邊緣。居中的晶體被置入恒溫箱中，以在 大約40'C下固化大約3個小時。
在固化之后，檢查該插入物/晶體組合件以保證該晶體居中并且完 全粘附到該插入物。隨后，該插入物/晶體組合件的外部被清潔。通過 將該部分滑入一個示例性的外殼，從而檢查該Ultem插入物的未增加 的直徑。
在此階段，本領域技術人員將能理解，所述聲學疊層可被置于適 合的支撐結構之上，并且敷設尾部電極和適當地衰減的背襯材料，如方框522和524所示。這些功能可以通過使用導電性的環氧材料作為 背襯層來加以組合。
在一個實例中，通常按照使清潔平滑的工作表面晶體層向下的方 向放置示例性的插入物/晶體組合件。該背襯腔被充滿了 Ablebond 16-l銀導電性的環氧材料。首先使用環氧材料注射器和敷料器端，以 在該腔的中心放置一團環氧材料以填充該腔。該環氧材料被敷設到該 晶體的整個背面，以保證不讓任何氣穴留在背襯材料中。使用該環氧 注射器以繼續用該數料器端來在該環氧層的表面之下填充，以免在填 充時在所述環氧材料中產生氣穴。填充該腔直到該導電性的環氧材料 低于該插入物的邊緣大約0. 5mm。
該背襯疊層一一被稱為"片(pill)"——現在可被置于適合的外 殼之中并被密封，所述外殼取決于該設備的預期用途，考慮了重量預 算、溫度和射頻屏蔽等等，如方框526和528所示。
該片被置于該外殼裝置上，未固化的環氧材料向上。幾小點Loctite E-20 HP被敷設到該片的后邊緣，以使得這幾個點不會流到一起。其 次，在該片之上放置一個完成的外殼，直到該片接觸該外殼的后面為 止。隨后，固定夾就被置于該外殼之上以將其保持在適當的位置，并 允許其在室溫下固化大約18小時或更長時間。然后該組合件被置于一 個恒溫箱之中，在65度下后固化約3個小時。通常，該片的表面的定 向與地面平行，并且指向下方以幫助防止該背襯層在該外殼中流動。
接下來，可以敷設一個密封層。在此實例中，當該環氧材料完全 固化時，沿著該晶體的周界敷設環氧材料滴，以使得在該晶體和Ti外 殼之間存在一個連續的平滑的表面。此時，沿著鈮酸鋰晶體的周界和 該外殼的內徑施加非常少量的Epotek 301。該晶體的表面低于該Ti 外殼上的斜面大約1. 25mm，以^更在晶體和Ti外殼之間理想地形成一 個環氧材料的負彎月面。該晶體和該Ti均為清潔的，并且在它們的表 面上沒有環氧材料，從而可將金噴濺到這兩個表面上。在操作過程中， 使用高放大率(大約20倍，優選地為更多)以施加該環氧材料滴。在一 個實例中，該環氧材料可被敷設到沿該周界的三個位置，并允許利用 引力和毛細作用使其沿著周界流動。在又一實例中， 一條厚度較小的 線(大約26 gauge)可被附著到尖銳的Q-尖端的末尾，以增進控制來幫助該結合劑沿著整個周界流動。允許所得結構在室溫下固化約12小 時至18小時。可以重復該密封過程，且允許該結構在室溫下固化大約 18小時，然后將其置于65攝氏度下進行后固化大約3小時。在該環 氧材料固化之后，檢查Ti外殼的邊緣存在的環氧材料。移去任何存在 于邊緣上的環氧材料。
將可理解的是，在聲學疊層的暴露的金邊緣對信號返回路徑進行 接地連接，如方框530所示。此外，本領域技術人員將能認識到，粘 附這樣的電極的幾種方法包括了陰極濺鍍、導電性的墨水和環氧材料、 與良導體直接機械接觸等等。
在一個超聲疊層的實例中，按照上文所述形成的疊層可以被結合 到第三低阻抗匹配層和一個透鏡上。選擇一個完全匹配的透鏡。如上 文所述，在一個優選實施方案中，該透鏡在聲學阻抗上與水緊密匹配， 以便減少混響偽像。此外，透鏡材料可以是低衰減的并且具有與水中 聲速充分不同的聲速，以便能夠產生聚焦效果而不具有極端的曲率。
有許多用于形成超聲換能器用的透鏡的示例性材料。此外，許多換能 器設計使用了固化壓電元件或者陣列結構作為透鏡的替代物。
為了對大鼠成像，在透鏡的設計中混響偽像是一個重要的考慮因 素。雖然有其他在高頻下損耗更低或更強折射能力的材料存在，但是 TPX仍被認為是優選的透鏡材料，其具有與水匹配的聲學性質。TPX 是聚烯烴家族的成員之一，并且與大多數塑料相比，TPX具有與水和 組織緊密匹配的阻抗。TPX具有介于大約1.78 MR到1.85 MR之間的 聲學阻抗。參考例如AlanR. Selfridge的"Approximate Material Properties in Isotropic Materials,，， IEEE Trans. Sonics和 Ultrasonics,第SU-32巻，第3期，1985年5月。水的阻抗是Z-1.5 MR。
眾所周知，TPX難于和環氧材料以及大多數其他粘合劑結合。在 工業中TPX的最常見用途是作為剝離膜。也即，TPX被認為是一種大 多數東西都不會與之結合的材料。雖然某些表面制造技術可被用于增 強結合強度，但是事實上即使使用了粘性促進劑和底漆或者電暈蝕刻， 在精密的應用中TPX也通常是不可結合的，必須通過機械力或熱密封 或炫焊來進行接合。參見，Timothy Ritter， K- Kirk Shung， XuecangGeng， Pat Lopath， Richard Tutwi ler和Thomas Shrout， Proceeding
of SPIE--第3664巻Medical Imaging 1999年Ultrasonic
Transducer Engineering, K. Kirk Shung，編輯，1999年6月，第67-75 頁。
成像換能器中透鏡和聲學疊層之間的結合線會在幾分鐘內經受超 過40攝氏度的溫度波動，且在使用過程中通常會經受迅速冷卻。此外， 它經常被超聲能所轟擊。結合上的弱點通常會導致換能器中出現剝離 和死點。為此原因，希望使用高質量的結合線來進行換能器的構建。
對于示例的高頻超聲換能器來說，透鏡與疊層始終保持接觸。即 便是細小的未結合部分也可導致換能器中出現死點。
在一個示例性的實例中，氰基丙烯酸酯(CA)粘合系統被結合到該 TPX透鏡上。通過使用適合的底漆(例如且不意在限制，VerikAC77、 某些基于曱苯的底漆等)，CA可以形成對TPX的穩定結合。然而，因 為氰基丙烯酸酯的固化特性為非常快速且依賴于基質和環境條件，所 以CA尚未被用在換能器疊層中。該膠粘劑可以在用于制造高頻超聲疊 層的非常細密的結合線處發生頃刻固化。添加結合線間隔物時通常不 使用CA粘合劑，因為它們具有大表面區域會導致該材料的瞬間固化。 由于同樣原因，CA也不能作為負載的粉末，這更使得它不適合成為用 于換能器制造的備選材料。此外，在文獻中尚無法查到CA的聲學屬性， 因為該材料在用于常規測試的足夠厚的部分中無法被固化。此外，因 為類似的原因尚無法獲得可以用于聲學模型CA的材料屬性。
盡管缺乏技術描述以及具有在本領域中被指出的缺點，處于少數 幾個厚度范圍內的CA可被固化。CA可被固化的范圍可被用于形成％波 匹配層，所述％波匹配層適用于自5兆赫起最高達超過60兆赫的頻率。 CA的聲學屬性是通過將其用作匹配層來確定的，且將其關聯到一個使 用了基于KLM模型的PiezoCAD軟件的模型(獲自Sonic Concepts, Woodinville， Washington USA)。結果顯示了 CA可孝皮用作匹配層， 其具有介于約2. 5 MR至2. 8 MR之間的聲學阻抗。
一種將TPX結合到％波匹配系統上的示例性方法利用了 CA。在TPX 層和CA層之間的結合被測試，結果顯示在該CA層和該TPX層之間的 界面至少與該TPX自身強度相仿。然而，由于上述原因，它并不適合
28于被直接結合到該疊層上，因為結合厚度無法控制，可能發生結合失 效和未對準現象，這些可能會在組裝的最后階段毀掉幾乎完成的換能 器疊層。
在一個示例性過程中，在該TPX透鏡層的背面(平坦側)制成乂波 厚度的CA固化層，且然后使用傳統環氧材料將所形成的結構與先前形 成的疊層的頂面相結合。該環氧材料很輕易與該CA層結合，且該CA 層又依次結合到該TPX透鏡層上。從而該CA層在該疊層的頂部與該 TPX透鏡層之間形成了V4波匹配層。在該示例性疊層的情況下，該疊層 的頂部具有4. 5 MR的聲學阻抗，而該CA的Z=2. 5至2. 8，而該TPX 透鏡層的Z-1.8。這產生了一種換能器，其在25 MHz relV/V下具有 -6dB帶寬的85°/。至90%以及介于大約-41dB到-42dB的雙向插入損失。
在一個實例中，利用鋁箔剝離層和導線間隔物將一定數量的CA膠 粘劑(例如Verik PR40)涂布到TPX透鏡的背面，如方框534和536 所示。在操作中，該剝離膜被置于一個平坦表面(優選真空板以使得該 薄膜平坦)上。在一方面，該鋁箔是清潔的，并且沒有油和潮氣。將導 線以一種圖案的方式布到該剝離膜之上。在一方面，按照放射形圖案 放置導線以使得所述導線在它們共同的頂點不相遇。這些導線被用作 CA層的間隔物。對于示例性的25MHz疊層，直徑為大約25jim的導線 被用于形成一個CA層，其具有大約23pm至25nm的最終厚度。這比期 望的CA的Y4波厚度要略微厚一些，而對于25MHz設計頻率的換能器， 期望的％波厚度是介于大約21nm到23 jim之間。在此方面，估計CA 的縱向速度是介于大約2100m/s到2200m/s之間。在隨后的磨擦過程 中移除所述lfim至3fim的多余材料，該磨擦過程也被用于準備該CA 層的表面，以改進該環氧材料的粘性，所述環氧材料被用于將所述具 有粘性的CA層的透鏡層與下方的疊層粘合起來。
在操作中，使用適合的粗砂SiC砂紙來磨擦該TPX透鏡層的背面 以改善用于粘合的表面，并且用適合的CA聚烯烴底漆(例如Verik AC77、基于甲苯的底漆等)處理，如方框532所示。然后該透鏡層的 背面被覆以大量的CA,以使得基本整個表面均被潤濕，如方框536所 示。當允許CA在透鏡背面形成相對厚的彎月面的時候，CA將不會快 速固化，從而該大量的CA提供了足夠的時間以將該透鏡放置到準備好的剝離膜/導線布置之上。
隨后，該透鏡層一一帶有敷設的CA——被放置在該剝離膜之上并 且被輕輕地施壓，以使得該透鏡將導線夾于在下面的剝離膜和透鏡層 之間而形成"三明治"狀，如方框538所示。在固化大約兩個小時之 后，該透鏡和所附著的剝離膜被從該真空板移除，且該剝離膜被從該 透鏡層剝去，如方框542所示。接下來，該CA層被允許固化大約24 小時，如方框540所示，在此時使用SiC砂紙除去lpm至3nm的CA 以磨擦該新形成的CA層的表面，準備結合到該疊層上，如方框544所 示。
該組合物形成的透鏡層/CA層被結合到該換能器疊層上，如方框 548、 550和552所示。在一個實例中， 一種適合的低粘性RT固化環 氧材料(例如Epotek301)——具有接近于CA層的聲學阻抗值的聲學 阻抗一一被用于將該復合透鏡層/CA層粘合到下方的疊層上。在一方 面，使用一個固定裝置將該透鏡保持在適當的位置上，以在該環氧材 料的固化過程中保持至少大約100kPa的壓力。在這樣的薄結合線處對 環氧材料使用外部熱源進行的在提高的溫度下的繼續后固化來進行固 化，這保證了產生少于5nm的結合線，優選從ljim到3nm。將可理解 的是，既然該環氧材料的聲學阻抗類似于CA的聲學阻抗，那么該結合 層對該疊層的貢獻即使有，也非常少。
上述示例性方法可以用于制成換能器疊層，其中該壓電層具有從 約5匪z到大約60MHz或更高的中心頻率。這樣的換能器可被用于使用 高發射頻率(大于或等于20MHz)對小動物包括大鼠進行成像。
實施例2:用于一種示例性的帶有TPX透鏡的寬帶(85。/。至95 %的 -6dB帶寬)鈮酸鋰換能器的一般性高頻設計
表1示出了構成示例性換能器疊層的不同的層。該疊層設計可被 用于具有從20 MHz到超過60 MHz的中心頻率的換能器。
選擇設計中心頻率/。，使之高于該設備的期望運行中心頻率/。， 以補償降低了設備的中心頻率的質量負荷。/D是該設備在空氣中不借 助透鏡和空氣背襯而運行時的頻率。對于這個示例性設計而言，A被選擇為約為最終換能器的期望中心頻率的1.15倍到1.25倍。例如， 對于20 MHz設備而言，鑒于表1中所示的關系起見，人們會選擇九= 約23 MHz至25 MHz。
^_
_TPX透鏡_
CA(氰基丙烯酸酯)％波匹配層 厚度=i,其中c,是相關層的縱向速度
低粘性RTC環氧材料的薄層 (通常Epotek 301、 Duralco 4461)
中等阻抗SiC納米粒子和鴒納米粒子摻雜的環氧材 料的W波匹配層，
高阻抗鴒摻雜的環氧材料的％波匹配層(混合了 鴒納米粒子的5fim豐立子)
，度1
厚度=1^、，其中k=0.4 導電性的環氧材料背村，其中Z二5MR至7MR
本申請通篇引用了多篇出版物。這些出版物的公開內容全部通過 援引方式納入本申請，以更完整地描述本發明所屬領域的狀態。
給出上述詳細說明僅為理解本發明的示例性實施方式，不應從中 理解出不必要的限制，因為對于本領域技術人員而言，顯而易見的是， 可以在不脫離所附權利要求書及其等價物的前提下作出改動。提供前述對發明的說明作為本發明的當前為人所知的最優的實施 方案的啟示性教導。對于這一點，相關領域技術人員將會認識到并且 理解可對本文描述的本發明的多個方面作出改動，同時仍然保留本發 明的有益的效果。同樣顯而易見的是，本發明的某些期望益處可通過 選擇本發明的某些特征而不利用其他特征來獲得。下述權利要求書中 的所有裝置或步驟加上功能元件的相應結構、材料、行為及等價物， 意在包括用于執行所述功能的任何結構、材料或行為以及其他已被要 求保護的要素，如所明確要求保護的。
除非另有清楚說明，本文所述的任何方法不應理解為其步驟需要 以特定順序執行。從而，當方法權利要求并未明確敘述其步驟應遵循 的順序時，抑或在權利要求書或說明書中不曽明確地陳述這些步驟被 限制到特定的順序時，在任何方面均不應理解為暗示了順序。這一點
對于任何可能用于進行解釋的未經說明的事實均成立，包括關于步 驟安排或操作流程的邏輯關系；從語法組織與標點符號中獲得的明白 含義；以及在說明書中所描述的實施方案的數量或種類。
從而，本領域技術人員將能理解，可對本發明作出許多修改和改 編，這些修改和改編在某些情況下甚至是合乎需要的，且成為本發明 的一部分。在考慮本文公開的發明的說明書和實施例之后，本發明的 其他實施方案對于本領域技術人員而言將是顯而易見的。因此，前序 的描述僅為對本發明的原理的例證而非對之限制。說明書和實施例僅 意為示例性的，本發明的真實范圍和精神由下面的權利要求書所示出。
權利要求
1. 一種超聲換能器的匹配層，所述超聲換能器包括多個堆疊的層，其中該多個堆疊的層中的至少一個層包括該匹配層，且其中該匹配層包括氰基丙烯酸酯。
2. 根據權利要求1所述的匹配層，其中該匹配層是一個約乂聲學 波長匹配層。
3. 根據權利要求2所述的匹配層，其中該匹配層的聲學阻抗介于 大約2. 0兆瑞利到大約3. 5兆瑞利之間。
4. 根據權利要求2所述的匹配層，其中該匹配層的聲學阻抗介于 大約2. 5兆瑞利到大約2. 8兆瑞利之間。
5. 根據權利要求1所述的匹配層，其中該多個堆疊的層中的至少 一個層包括一個透鏡層，且其中該透鏡層覆蓋于該匹配層之上并且結 合到該匹配層。
6. 根據權利要求5所述的匹配層，其中該透鏡層包括TPX。
7. —種超聲換能器疊層，包括 多個層，所述多個層包括一個壓電層；至少一個包括一個第一匹配層的匹配層，該第一匹配層包括 氰基丙烯酸酯；以及一個包括TPX的透鏡層，其中該多個層中的每個層均具有一個頂面和一個相對的底 面，其中該第 一 匹配層被連接到該透鏡層的底面并且位于該透鏡 層的底面之下，且其中該壓電層位于該匹配層的底面之下。
8. 根據權利要求7所述的超聲換能器疊層，其中該第一匹配層是 一個大約％聲學波長的匹配層。
9. 根據權利要求8所述的超聲換能器疊層，其中該第一匹配層的 聲學阻抗介于大約2. 0兆瑞利MR到大約3. 5兆瑞利MR之間。
10. 根據權利要求8所述的超聲換能器疊層，其中該第一匹配層的 聲學阻抗介于大約2.5兆瑞利MR到大約2.8兆瑞利MR之間。
11. 根據權利要求8所述的超聲換能器疊層，其中該透鏡層的聲學 阻抗是大約1. 8兆瑞利MR。
12. 根據權利要求7所述的超聲換能器疊層，其中該透鏡的聲學阻 抗與水的聲學阻抗基本相同。
13. 根據權利要求7所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層可以在 至少大約20兆赫MHz的頻率下生成超聲。
14. 根據權利要求13所述的超聲換能器疊層，其中該壓電層可以 在大約20 MHz、 25 MHz、 30 MHz、 35 MHz、 40 MHz、 45 MHz、 50 MHz、 55 MHz、 60 MHz或更高的頻率下生成超聲，以發射通過該第一匹配層 然后通過該透鏡層。
15. 根據權利要求7所述的超聲換能器疊層，還包括位于該壓電層 的頂面和該第一匹配層的底面之間的第二匹配層。
16. 根據權利要求15所述的超聲換能器疊層，其中使用一種結合 材料將該第二匹配層的頂面結合到該第一匹配層的底面上。
17. 根據權利要求16所述的超聲換能器疊層，其中該結合材料在 該第 一 匹配層和該第二匹配層之間形成一個結合線層。
18. 根據權利要求17所述的超聲換能器疊層，其中該結合線層具 有小于大約5微米的垂直厚度。
19. 根據權利要求17所述的超聲換能器疊層，其中該結合線層具 有介于大約l微米到大約5微米之間的垂直厚度。
20. 根據權利要求17所述的超聲換能器疊層，其中該結合線層具 有介于大約l微米到大約3微米之間的垂直厚度。
21. 根據權利要求17所述的超聲換能器疊層，其中該結合線層的 聲學阻抗與該第一匹配層的聲學阻抗基本相同。
22. 根據權利要求16所述的超聲換能器疊層，其中該結合材料選 自環氧材料或膠粘劑。
23. 根據權利要求22所述的超聲換能器疊層，其中該結合材料是 一種低粘性RT固化的環氧材料。
24. 根據權利要求16所述的超聲換能器疊層，其中該第二匹配層 的聲學阻抗介于大約3. 5兆瑞利到大約6. 0兆瑞利之間。
25. 根據權利要求15所述的超聲換能器疊層，還包括一個第三匹 配層，其中該第三匹配層位于該第二匹配層的底面和該壓電層的頂面 之間。
26. 根據權利要求25所述的超聲換能器，其中該第三匹配層的聲 學阻抗介于大約7. 5兆瑞利和大約12兆瑞利之間。
27. 根據權利要求25所述的超聲換能器，其中該第三匹配層的聲 學阻抗介于大約9. 5兆瑞利和大約10. 5兆瑞利之間。
28. 根據權利要求25所述的超聲換能器，還包括一個背襯層，其 中該背襯層的頂面連接到該壓電層的底面，并且位于該壓電層的底面 之下。
29. —種用于產生包括多個層的超聲換能器疊層的方法，每個層均 具有一個頂面和一個相對的底面，該方法包括設置一個壓電層； 設置一個包括TPX的透鏡層；將一個包括氰基丙烯酸酯的第一匹配層結合到該透鏡層的底面；并且將已被結合的第一匹配層和透鏡層置于基本覆于該壓電層之上并 與該壓電層對齊的位置，以產生一個超聲換能器疊層。
30. 根據權利要求29所述的方法，其中所述將第一匹配層結合到 該透鏡的底面的步驟，包括設置一個剝離膜； 設置多個間隔物；將該多個間隔物置于該剝離膜的一部分之上； 用氰基丙烯酸酯基本上潤濕該透鏡層的整個底面；并且 將該透鏡以與該剝離膜處于留有間隔的關系的方式安裝到該多個間隔物上，其中該氰基丙烯酸酯填充在該透鏡層的底面和該剝離膜之間所限定的內部體積內并且形成該第 一 匹配層。
31. 根據權利要求30所述的方法，其中該剝離膜由一種低表面能 的金屬薄膜組成。
32. 根據權利要求30所述的方法，其中該剝離膜包括鋁箔。
33. 根據權利要求30所述的方法，其中該剝離膜由鎂箔組成。
34. 根據權利要求30所述的方法，其中所述將該第一匹配層結合 到該透鏡的底面的步驟，還包括向該透鏡施加力以壓縮位于該透鏡層的底面和該剝離膜之間的氰基丙烯酸酯；并且固化所述包括氰基丙烯酸酯的第一匹配層。
35 j艮據權利要求30或34所述的方法，其中所述將該第一匹配層 結合到該透鏡的底面的步驟，還包括將該剝離膜從該第 一 匹配層的已 形成的頂面移除。
36. 根據權利要求35所述的方法，其中所述將該第一匹配層結合 到該透鏡的底面的步驟，還包括移除該多個間隔物；以及磨擦該第一匹配層的已形成的頂面，直到該第一匹配層處于預定 厚度為止。
37. 根據權利要求30所述的方法，其中該間隔物具有介于大約20 微米到大約30微米之間的直徑。
38. 根據權利要求30所述的方法，其中該間隔物具有大約25微米 的直徑。
39. 根據權利要求30所述的方法，其中該間隔物具有大于該第一 匹配層的期望預定厚度的直徑。
40. 根據權利要求37、38或39所述的方法，其中該間隔物是導線。
全文摘要
在一方面，用于具有匹配層的超聲換能器疊層的匹配層，包括一種載有多個微米尺寸粒子和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該基體材料載有多個重粒子和輕粒子。在另一方面，超聲換能器疊層包括一個壓電層和至少一個匹配層。在一方面，該匹配層包括一種復合材料，所述復合材料包括一種載有多個微米尺寸粒子和納米尺寸粒子的基體材料。在另一方面，該復合材料還可以包括一種載有多個重粒子和輕粒子的基體材料。在又一方面，該匹配層還可以包括氰基丙烯酸酯。
文檔編號A61B8/14GK101442941SQ200780016016
公開日2009年5月27日 申請日期2007年3月1日 優先權日2006年3月2日
發明者D·赫森, J·梅希, N·C·查格瑞斯 申請人:視聲公司